岩石力学翻译

1、岩石力学和国际岩石力学学会的未来摘要：考虑岩石力学和国际岩石力学学会（ISRM）的未来需要对岩石力学在第一个五十年里 取得的成就进行评估，并确定一些还主要存在的未解决的问题，指明未来可能采用的技术方 法的方向以及岩石力学未来发展的可能性。这里不久的将来包括当前国际岩石力学学会委员 会正在实施的现代化计划和当前技术的发展。长远的未来需要从可能产生的技术创新及其对 岩石力学的影响来预言。此外，本文对专业学会如ISRM的目的、性质及潜能的演变也进行 了简要的讨论。本文的重点在于支持着岩土工程的岩石力学，其主题包括地质、岩石应力、 完整岩块、岩石裂隙、水流、工程活动和数值模拟。关键字：岩石力学；成就；

2、基本原则；技术未来；联合模拟1、简介：思考岩石力学未来可能被采用的方向对于其主题及其在岩土工程中的应用非常重要。事 实上，这是做这样一个推测的一个合适的时间，因为2012年就是ISRM成立50周年，且 2011年将在北京召开ISRM代表大会。此外，2008年还是ISRM奠基者及第一人主席利奥 波德穆勒的一百年诞辰。希波克拉底预测未来的方法就是：“考虑过去，解释现在，预知未来。”所以，在本文就 是基于过去已经取得的成就（特别是过去50年），确定一些主要存在的还未的问题。这就自 然地引导我们考虑未来技术发展的可能性及存在问题能否解决。就ISRM而言，当前实施的 现代化在某种程度上能帮我们对ISRM

3、不久的未来进行预测。然而，对于ISRM的长远未来 也需要讨论，因为这包括一些与个人与团队交流以及保存并传播合作知识有关的有趣问题。2、总结当前岩石力学的认识和能力：岩石力学的知识和能力已经在1995年Elsevier写的“综合岩土工程”里以百科全书的 形式通过4407页的概要得到总结。这五卷包括一下主题：1、基本原则；2、分析和设计方法；3、岩石测试和地点描绘；4、挖掘、支撑及检测；5、地表与地下的案例。尽管这本概要已经出版了 13年，并且岩石力学的很多领域都已取得进步，但是这门艺 术的本质是相似的。3、岩石力学未解决的问题尽管在过去50年里岩石力学和岩土工程已经取得了大量的进步，但还是存在一

4、些突出的 问题。事实上，利奥波德穆勒成立ISRM的灵感已经在他的1962年5月份的评论里有所表 述：“我们不知道岩块的强度，这就是需要一个国际学会的原因。”。然而，在很多情况下我 们还有关于评估岩块强度的问题！在这一部分，将概述一些岩石力学主要未解决的问题。这些载于一下专题中:地质、岩 石应力、岩块、裂隙、水流和模拟。在每一个小专题里面用斜体字书写的文段就是关于这些 问题在不久的将来被解决的可能性。3.1、地质地质，特别是构造地质和工程的岩土力学，在表2中得到强调。在这两种情况中，我们感兴趣的是破译形成当前现状的机制并预测未来将会发生的情 况。事实上，岩石学的精髓就在于预测未来。我们希望通过预

5、测未来使得岩土工程的设计更 恰当。这个预测是十分必要的。例如，如果一个隧道要以一定的方向和深度朝特定的方向和 深度掘进会发生什么。因为工程结构要建立在或者包含于岩块中。对于主体岩石的相关地质情况有一个足够的 了解是非常必要的，并且如果没有专业地质建议，工程师要获得准确的数据来模拟和确定与 特定的地质情况伴生的危害将受到严重的限制。例如，许多岩石力学的模拟运用需要对于岩 石裂隙的认识，但这又相当难以达到。照片35说明了三种不同类型的裂隙，这些都是在 英国南威尔士非常接近中下煤系的地层中观察到的。不用说，一个熟悉主体岩石的情况的地质师会为处理这些类型的裂隙网络岩石力学模拟 和设计者提供明显的帮助。

6、对于构造地质解译的价值的说明可以在Price and Cosgrove看到。然而，这篇文章中提到的主要未解决的问题不是没有咨询地质师就是这个地质师并不是 与岩石力学研究密切相关的，所以这些建议就只能获得微小的吸取，例如通过标准化形式的 场地研究。这是一个管理问题，但是我们必须解决，一个应该很容易处理的问题。3.2、岩石应力不像别的形式的工程，地下岩土工程最基本的的工作是从预先压实的岩块中，而不是像 别的工程那样从组装的部件中，移取材料拼接在一起的。这就意味着我们需要评估岩块固有 的应力状态，这既是对于上覆压力强度需要的基本考虑，也是数值模拟需要输入的边界条件。 岩石应力的评估是一个我们不得不面

7、对的最难应付的问题。应力是一个张量度量，它需要六 块相互独立的信息，并且岩石应力在不同的尺度上存在很大的不同，主要是通过不同类型岩 石的固有的不同类型的裂隙来表现。岩石力学和采矿科学(Vol.40, Issues 7-8,2003)国际刊物的发行就是致力于岩石应力的评 估。这个专业的刊物包括由ISRM建议的评估岩石应力的4种新方法和17页岩石力学不同 方面及其评估运动的辅助性描述。对于这份17页内容的可以用一句话总结：“岩石应力评估 不是一项简单的任务。”实际的衡量就是一个问题并且应力是多变的。然而，在应力信息的展现方面，最近的发展已经改善了这种情况Lee3 已经说明：相 对于第一个不变应力(

8、所有应力的总和)比相对于深度绘出每一个主要的应力能提供一个更 清晰易懂的图片。图6中表明：主应力相对于深度作图是表现得不那么连贯。很难有信心明确地指出在一 个具体的深度的应力状态。事实上，我们还可以怀疑这里的衡量不是令人满意的。但是将其与图7比较，图7是用主应力相对第一个不变应力作图得到的。显然，这些应 力形成一个图案，并且也不会有任何怀疑这里的应力衡量是不适当的。除了这个更清楚易懂的主应力分布之外，各主应力之间的比例也是明显的。Lee3发现 尽管东、西澳大利亚具有不同的地质组成，各主应力之间的比例是相同的，。Harrison et al.4 在智利、芬兰和英国的应力数据中发现了类似的应力比例

9、，这说明地壳处于一个有限平衡的 状态中。岩石应力中主要未解决的问题有:要发展出一种快速且可靠的方法来评估在给定地点的 岩石应力张量的六个组分，同时要理解不同尺度中的裂隙产生的不同应力状态的变化。这里的第一个问题是很难应付的，并且不可能很快解决。第二个问题服从于数值模拟的 研究，且能很快得到相应的解决。3.3、完整岩块因为完整岩块样品的获取和测试都比较简单，所以在岩石力学中这个专题已经得到最 详细的研究。我们现在需要对于完整岩块行为以及不同类型岩石及其力学特征足够的理解。并且，由于20世纪70年代伺服控制的高速测试机器的出现，样品从开始压实到完全解体的 整个力学性能可以被详细地研究。图8中就是一

10、个大理岩的完整的应变曲线的例子。通过带 有伺服控制的多轴性测试机器的应用，完整岩块的表现就可以在只被想象限制的情形中研 究。不过，还有完整岩块的一些方面需要进一步的研究，特别是与岩块多向性、各向异性以 及时控性（随时间变化而变化的性质）有关的。图9的分析表明：被挖之地外围岩石的潜在 破裂的研究既是外围集中岩石应力又是不同方向的岩石强度的研究。鉴于这个问题，对于岩 石强度的认识如各向异性是需要。这也适用于岩石的多向性和它的时控性。而且，尽管已经做了大量有关完整岩块力学性能的工作，还是有很多与完整岩块的不连 续性、非均一性、各向异性和无弹性的性质有关的问题没有解决。也许最令人惊奇的遗漏就是在合并三

11、种主应力时一直在用一种错误标准。尽管岩石应力 具有作为一种张量伴随有三种主应力的性质。最普遍地应用于模拟和实践于完整岩块和岩体 的错误标准有Mohr-Coulomb and Hoek-Brown准则。这两个准则都只是包括了主要和次要的 主应力，而没有包括中级的主应力。考虑到要解决这些问题，多相性和多向异性通过测试和数值模拟可以很容易地获取，但 是完整岩块随时间变化的性质就很难确定了。普遍用失败的标准来合并三个主应力将淘汰， 因为候选准则已经在相关文献中有建议到。3.4、裂隙图片35已经指出可能出现的不同类型的裂隙，并且强调了一个研究岩石力学的构造 地质师的重要性。事实上，如图10所示，从地质观

12、点来看考虑岩石裂隙的光谱十分有用。 注意在图10下端波段的备注，描绘未变形岩石带有渗透性的变形组构比描绘复杂型式的岩 石裂隙要容易得多。ISRM已经在图11中说明了衡量需要的裂隙的特性。从钻孔核心还是井壁的电视图像 中衡量得到的裂隙特性是不同。裂隙的间距可以很容易地评估，但是很多其他方面例如连续 性不能评估。在图12中，Follin5已经说明在有限的尺度中能获得的裂隙信息。考虑到岩 石的DIANE中的不连续性，描绘裂隙的几何和力学表现的能力对于岩土工程设计模型的输 入和完成Leopold Muller最初成立ISRM的雄心，即评估岩块强度都很重要。因此，发展适当地建立和描绘在特定场地岩石裂隙的

13、几何和力学特性的能力是一个主要 与岩石裂隙这个专题有关的未解决问题。尽管可靠地获取裂隙信息的问题可能看起来比获取可靠的给定岩块的应力信息要简单 些。但还是有一段很长的路要走，因为岩石裂隙的多参数性及其与将裂隙数据的数量减少到 能够输入到数值模型的数量的关联的不确定性。3.5渗透率描述岩石裂隙之后就下来的一个专题就是建立岩块渗透率，它是三个主要组分的另一个 张量。注意图13中的白色箭头说明了图中岩块高度局部的水流性质。对于相对没有渗透性的完整岩块，水流及其伴生的传导性张量将被裂隙的网络（他们的 几何、连通性和开口）和岩石应力状态控制。严重破裂的岩块中的水不是仅仅存在于一条裂 隙中，而是顺着裂隙的

14、一个特定的点存在，指示着裂隙中水流的渠道。另外，这个水流渠道 可以改变，如果有工程活动导致明显的裂隙位移。在将裂隙几何组建成不相关的裂隙网络以及建立伴生岩块的流动特性方面已经取得相 当多的进步。然而，问题是如何获取关于裂隙特性的有效准确的数据。这是一个有关岩块渗 透性的主要未解决的问题。这个问题的解决方案也是难以取得的，因为这不仅需要裂隙的几何学数据，还需要水文 地质学数据，特别是裂隙的孔缝。3.6、模拟在岩石力学发展的早期，物理模型在支持岩土工程设计，特别是基于岩块上的堤坝设计 中扮演着一个非常重要的角色。而且，现在这种物理模型还在确定机制和核实数值模型上起 着十分有用的作用。然而，重点已经

15、渐渐地转移到岩块分级方法和电脑数值模拟上来，特别 是用不相关元素的方法(Jing and Stephansson6)。在数值模拟领域主要未解决的问题产生于要开发出一种能够囊括所有要求的变量、机制 和参数的模型，例如与分离的亚学科有关的模型要让步于满足要求所有峰值联合的模型。可 以预料这种模型将包括以下几个方面在其中：1、地质：位置几何、岩性、断裂2、热力：热源、热流3、力学：岩石应力、刚性、强度4、化学：岩石和水化学5、工程：挖掘的影响目前，这些分离的模型都是建立在分离的亚学科之中的，例如力学的和水力的，这些经常需 要“缝在一起”，这又不是总能顺利地完成的。一个互补的必要性是发展的方法技术审计

16、这种联合数值模型，以及现有模型，同时在使 用过程中，以及随后用于施工扰动观察后的分析。由于岩块的尺度使得在岩石力学中数值模 型输入、运行和输出的检验是一个特殊的问题。我们可以在实验室里测试小样品，也可以在 特定地点的地下实验室里开展测试，但是技术审计电脑模型支持的大尺度的岩块岩土工程设 计总的问题是一个未解决的难以应付的问题。检验问题被很快解决的可能性不大，因为这需要大规模的实验。然而，项目如DUSEL 正在美国南达科他的霍姆斯特克矿开展，并将最终得到完全的确认检查。基本的技术审查也 会现在实施，但是最终确认检查的审查将花更长的时间。4、短期未来在这一部分，岩石力学和ISRM的“短期未来”将会

17、有所描述。第一，这个学科预期进 步的选择；第二，ISRM20072011届委员会目前正在实施的现代化项目。4.1、岩石力学在短期未来的发展4.1.1改善收集信息的方法信息处理的许多方面都在快速的发展：从激光捕获岩石表面几何性质，到岩块特性的地 震地貌方法，再到岩石特性的网络数据库。所有的这些都是当前技术与电脑快速发展的结果， 并且有充分的理由相信这个趋势还会继续下去。4.1.2更强调地点研究的地质方法就像之前提到的，获得更多岩石特性的信息是基本的，特别是岩石裂隙的几何和力学性 质。获取无损坏的岩石特性的理想方法是通过快速发展的地震技术，特别是X线体层照相 术以及同时进步的3D可视技术。4.1.

18、3更多学科综合也是上文所提，现在存在一种提高联合数值模拟深度的主动性，将最终导致一个地质热一力学一化学一生物的模型。目前，数值模型趋向于在特定的学科里独立的发展，例如地 质、岩石力学、石油工程、土壤力学、水文地质学等。未来必须要有更多的广阔的严格基于 热动力原则的模型，带有一系列的基本状态变量，并包含伴生的联合机制。这就允许更连贯 的和可审计的模拟来支持岩土工程及别的领域的尝试。4.1.4、更多国际合作研究早期杂志的出版物，如20世纪60年代里出版的。很多文章都是署名单个作者， 因为它可能是由一个人做出的显著的贡献。但是由一个团队来处理一个给定的问题会更具激 励性、更有效率。其实，只要研究岩石

19、力学和采矿科学的国际刊物2008年6月发表的文章， 就会发现，所有的17篇文章都是署名两个或者更多的作者。这种趋势随着全国性的和国际 的合作的持续改善，毫无疑问还会延续下去。4.1.5、用更多的神经网络电脑程序目前，工程师输入要求的数值进电脑，运行程序，然后评估结果。这个过程还有一个相 当大的范围来提高，只要通过增加“聪明的”电脑程序的应用，可以是从神经网络建筑学的 进一步发展到程序“洞察力”的包体的变化。甚至在不久的将来，也不可会超出一个可能性 范围。这个可能性的范围就是依赖于电视图像来观察地下挖掘表面（如顶面），并安排电脑 自动警告使用人注意潜在的危险且继续在新的唯一变量的基础上做分析。4

20、.1.6更大、更深、更长的挖掘随着材料和地下空间要求的继续增加，可以预见挖掘工程将会更大、深和长。目前，最 大的通达地面的洞穴直径大61m，就是挪威的基约维克冰球馆。一个洞穴能有多大呢？圆洞 周围的应力集中的解决方案既不包括洞得尺寸，也不包括岩石的弹性。岩块游离的裂隙，例 如可以在加拿大地盾中发现的，应该可以修建直径大于61m的洞穴。但是，我们能走多远 呢？毫无疑问，61m的直径很快就会被一些企业性质的工程团队打破。4.1.7强调环境方面初见在岩石中的地下挖掘，应该本来就是环境友好的。但是任何工程活动都会增加岩相 混合程度。不管工程结构中产生的次序怎样，在周围环境中都会形成一种更高程度的混乱。

21、 这个经常会在采矿工程中得到明显的显示，但是这些也会在所有的民用工程项目出现。当然， 这个扰动也会可以在一定程度上减少，但是不能避免。这就产生了这样一个问题：“地下的开采行为与可持续发展的理念兼容吗？”。Bruntland1987年给可持续发展下的定义是：“满足当代人需求的发展，又不危及后代满足他 们需求的能力。”因此，当计划一个新的工程项目时，我们就应该问这也的问题:“思考现存 的系统（自然岩块或者已经被开采的岩块），是否接受安放一个新的设备，也即它是否属于 前文定义的可持续发展的范畴里？”岩土工程的可持续发展的整个学科在上述文段中还没有被完全地解决，还急切的需要引 起注意。4.1.8机械挖

22、掘的增加很难想象岩石的支护如何能够改善。岩石断块用岩石螺栓固结在一起，这也一个破裂的 岩块就会表现得更像一个巨大的连续体。抵抗力量可以通过使用介绍过的支撑达到。喷浆混 凝土可以用来提供额外的抵抗力量，并与由于环境变化引起的岩石表面变质抗衡。相反地，所有能量准则都说明机械挖掘能得到极大的提高。隧道建设的正确方法的使用 的过程中能量的输入在图15中已经说明。当爆破性的大量能量在短短几秒的时间里输入一 个很宽的间距里面，如8个小时。这在图16中通过白色的垂直条纹表现出来。然而，当隧 洞掘进机在运作时，低水平的能量在持续的输入，由下端水平白色条纹表现。对于上文描述 的两种特殊情况，我们只有这两种特别的

23、掘进方法。因为往隧道工程里提供能量通常没有问题，很有可能发展出穿透性明显提高后的新挖掘 方法，就想在图15中用宽水平白色条纹的。这可能是一些爆破性能量和隧洞掘进机的结合 或者是一些全新的程序，这就是开发潜力所在。4.2ISRM目前的现代化ISRM的一个目的就是为其会员带来好处。相应地，它必须持续地发展，以期在这个变 化的世界里能提供足够的利益。ISRM新一届委员会任职从2007年到2011年，目前正投身 于现代化过程来保证需要提供的必要利益。现代化过程中的几个议题总结于下： 4.2.1直接提高给会员的待遇这需要调查ISRM的会员来得知他们想要的东西。调查的结果会在这篇文献发表时看 到。另外，从

24、ISRM的网站上下载刊物也越来越容易。学会的数据库也正在建立。大量折扣 也会提供给ISRM支持的事业，并且ISRM的曝光也会得到改善。4.2.2改善ISRM的网站ISRM网站改善的大部分工作已经完成，因为现在访问ISRM的网站就能与会员交流， 只需要进行综合及数据上传的试验就可以了。主要方面有：与不同的岩石力学杂志和报刊有 联系；开发出ISRM刊物或别的杂志的电子图书馆，包括建立为上传和下载案例和学习材料 的数据库；有更多更多关于成员国和ISRM的信息，以及主要联系方式；在会员与非会员接 触ISRM信息方面做一个明显的区别。4.2.3加强文学的利用率核心目的就是相关文学更接近于ISRM成员。主

25、要通过一下集中方式：开发和维护一个 可以下载材料的电子图书馆（已经存在一个硬拷贝图书馆）；将电子图书馆根据不同的文献 划分区域，如缪勒文学、每年一度的罗恰奖论文、书、文献以及国内团队的刊物和学习材料 等；ISRM建议的方法已经是可以下载的了，并且囊括了 19742006ISRM所有建议的方法 的硬拷贝“蓝皮书”正在得到宣传。4.2.4确定主要的技术问题ISRM应该确定在岩石力学和岩土工程里需要定级或者研究的主要问题。举个例子说 明：核废料储藏库工程设计的坚硬岩石的长期强度。我们通常该如何确定在工程设计用到的 岩石的长期强度？专家组应该集合起来鉴定和研究这种技术问题，例如通过ISRM委员会，特别

26、是专题报 告会里的研讨会、邀请研讨会领导一个ISRM文献总结问题和方案。ISRM可以扮演一个为 相关专家交流的平台的角色。4.2.5关注ISRM国际专题报告和会议的内容ISRM委员会应该在确保国际专题报告及会议上有相关的和杰出的技术内容上扮演主 要角色。指明相关程序的手册正在编写中。ISRM委员会的成员应该也是每个专题讨论会的 组织委员，以此来保证指蓝手册里的程序能够有效，这也包括会议的基本原则和特定情况， 2011年在北京召开的ISRM50周年纪念会的开幕式就是后者的一个例子。4.2.6增加奖项的数目对于ISRM成员的成就应该有更多的激励。为了达到这个目的，现有的奖项和奖金都应 该增加。目前

27、，ISRM只有4年一度的缪勒奖和每年一度的罗恰奖。除了奖品之外，可能还 包括奖金给为本专业做出杰出贡献的人、在基础岩石力学上获得大量成就的人、每年发表的 最佳论文、还有在ISRM会议上的最佳论文和最佳海报。4.2.7安排巡回演讲ISRM已经在中国成功地组织了两次学术巡回演讲，并且还有可能把这种形式扩展到别 的国家。4.2.8与别的学会交流与别的研究人员或工程人员交流的好处已经在4.1.3的联合模型和4.1.4的国际交流中提 到。这同样适用于与别的学会的国际交流。例如，ISRM与国际隧道工程学会的交流讨论 已经证明是富有成效的。此外，网站和事业的相互提升，以及类似委员会和兴趣团队的交流 都在发展

28、中。4.2.9提高会员之间的交流与ISRM成员交流的最好办法已经研究过了。那个网站将是与ISRM成员交流最主要的 日常方法，并将会持续改进。每年一度都会制作一份电子时事通讯正有规律性地发送给其成 员。关于ISRM新闻杂志的硬拷贝。5、长远未来正如已经描述的那样，我们可以对短期做一个预测。但是这之外的更远的未来将发生什 么呢？技术的发展毫无疑问将是戏剧性的，是我们现在难以理解的。5.1、未来电脑的能力对于电脑能力预期发展的预测展现在图16中。X轴是年份，Y轴是1000美元可以购买 的电脑的每秒计算能力。现在，花1000美元可以买到一台计算能力在昆虫头脑和老鼠头脑 之间的电脑。然而，到2020年和

29、2040年间，我们就能用1000美元买到一台计算能力相当 于人脑的电脑，到2050年，这笔钱就能买到计算能力相当于世界上全人类的电脑了。这些 预言可能不会完全准确，但是这个趋势确实是存在的。我们该如何处理如此强大的电脑能力， 并将之用于岩石力学？5.2、潜在的长期发展5.2.1、电脑成为作者大多数发表的论文都可以在网上找到。微软和谷歌现在使大量图书馆的书能够在电脑上 找到。长期来看，所有出版物都会在网络上找到。然后，电脑机器人可能就能自动地搜索到 给定任务的所有相关文献。电脑能够通过每年产生的论文和信息来汇编关于在岩石力学渐增 的进步的论文。如果电脑变成作者，我们该如何定义它们，它们该如何定义

30、自己？我们能区 分这个作者是人还是电脑吗？5.2.2、电脑成为岩土工程设计者如果电脑正在监控建设过程，并已经任命或者它们自己完全能够编写联合项目。那么电 脑能够独立地设计岩土工程项目吗？如果说总是需要人的输入，那将会很诱人。但是真的会 这样吗？这在不久的将来为不是长远的未来就能确定。5.2.3、网络会议在长远的未来，我们将需要选择参加一个试题会议还是网络会议。一部分人还是想参加 实体会议，但是随着越来越多的时间压力，网络会议会被很多人接受。电子会议有很多优势， 不仅是一个人可以参加很多会议，如在每周星期一早上。Powerpoint演示文稿和pdf格式的 文件能立刻获得。与会者可以通过电脑与任何

31、别的人交流。参与会议的费用也会比现在少得 多，旅行和住宿的花费也可以取消。正当我们将硬拷贝会议程序转变为电子程序时，很多人在抱怨会议中缺少硬拷贝程序， 但是因为电子程序的优势存在，进步是必然的。类似地，在长远来看，可以看到网络会议的 出现与分化是不可避免的。5.2.4、外地球的岩石力学这50年的大部分时间里，ISRM都是在研究地球的岩石力学，但是我们所发展出来的 基础知识都能运用到行星上吗？目前，一个理论家还要求浏览岩石力学的基础知识，并确定 它们是否适用于“地球之外的世界”。从长远看，行星和小行星地表以下的建设所用设施也 需要这些知识。_5.3、ISRM的长远未来考虑到电脑能力和交流系统的持续进步，ISRM的长远未来很难预测。一方面，在一个信息增长到超载的世界里，可以预测到这个社会将急切需